8. RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING DAN KONTROL ...
Transcript of 8. RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING DAN KONTROL ...
SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIRYOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006
RANCANG BANGUN SISTEM MONITORINGDAN KONTROL SUHU FURNACE
BERBASIS MIKROKONTROLER AT89C52
NUGROHO TRI SANYOTO, JUMARI, TRIYONOPustek Akselerator dan Proses Bahan - BA TAN
Jl. Babarsari Kotak Pos 6101/YKBB
Yogyakarta 55281 Telp. (0274) 488435
Abstrak
RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING DAN KONTROL SUHU FURNACE BERBASISMIKROKONTROLER A T89C52. Telah dilakukan rancang bangun sistem monitoring suhu furnace sebagaipengganti tampi/an suhu analog "Merk Karlkorb" yang dapat mengatur suhu jitrnace pada keadaan yangdiinginkan. Alat ini dikendalikan oleh mikrokontroler AT89C52 dan mempunyai tampi/an digital yang dapatdioperasikan pada suhu 0 °C sampai 1200 dc. Perancangan ini dibuat dengan cara menggabungkanbeberapa rangkaian yang terdiri dari sensor suhu thermocouple, ADC, relay, buzzer, keypads,mikrokontroler dan penampi/ berupa LCD. Sistem ini bekerja berdasarkan perubahan tegangan dari sensorthermokopel dalam orde milivolt. Agar ADC dapat membaca sampai orde milivolt, maka tegangan referensiADC harus diatur untuk mencapai orde tersebut. Tegangan yang diproses oleh rangkaian ADC akanditeruskan oleh mikrokontroler agar dapat mengontrol relay. Alat ini telah diuji komparasi dengan alat"Merk Shimaden SR72". Hasi/ uji komparasi menunjukkan bahwa alat mempunyai kemampuan pengukuransampai 1200 °C dengan tingkat ketelitian 5 dc.
Kata-kata kunci : Monitoring, kontrol, suhu, jitrnace
Abstract
DESIGN AND CONSTRUCTION OF FURNACE TEMPERATURE MONITORING ANDCONTROLLING SYSTEM BASED ON AT89C52 MICROCONTROLLER. Furnace temperature control
system has been designed. The control system is designed to monitor and control jitrnace temperature levelas required. Design and construction of control system was done by combining thermocouple temperaturecensor, ADC, relay, buzzer, keypads, microcontrol/er and LCD. The system works by voltage change fromthermocouple censor when temperature changed. Reference voltage must be adjusted so that the ADC canread data in millivolt order. The ADC data will be processed by microcontrol/er as a relay contro/. The
digital temperature control system has been tested in comparison with "Shimaden SR72". The result of thecomparison test indicates that the device has measurement ability until 1200 °C with accuracy level of 5 °C.
Key Words: Monitoring, control, temperature,jitrnace
PENDAHULUAN
Furnace adalah salah satu alat yangdigunakan untuk memproses bahan nuklirdengan perlakuan panas pada suhu tertentuuntuk mendapatkan bahan nuklir dengankomposisi tertentu yang diharapkan olehseorang peneliti.
Untuk mengatur suhu furnace tersebutdibutuhkan sensor untuk mengetahui informasi
Nugroho Tri Sanyoto dkk. 77
data fisis suatu penelitian atau untuk persyaratan ketja sistem tersebut. Sensor yangdigunakan dalam penelitian ini adalah Thermocouple tipe K yang membaca suhu dari -270°Csampai dengan 1370 dc. Sensor suhu tersebutadalah pengindera suhu yang mengubah besaran fisis menjadi besaran tegangan analog (temperature transducer) (The Temperature Handbook Vol. 28, 1992). Alat ini dirancang meng-
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN
SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER2006
gunakan kontrol dua posisi (on dan off), untukkendali digunakan mirokontroler AT89C52,
scrta Liquid Crystal D"play (LCD) sebagai 'G0<9sarana penampil dalam bentuk digital untuk ~ _memudahkan pembacaan. Mikrokontrolersangat membantu sebagai kendali dalam -membuat berbagai macam alat khususnya alatukur suhu digital.
m
i---------------~-----------------l
I LCD ;: I' .i iI :I• ,. :
!!
, !i ~ ..._'"'"__~ ,
Gambar 1RangkaianPerangkatKeras(Hardware)
Kontrol Antomatik Dna Posisi "On-Off'
Kontroler yang digunakan adalahpengontrol dua posisi "on-ojj". Elemenpenggerak hanya mempunyai dua posisi tetap,yang dalam beberapa hal merupakan posisi"on" dan "ojj". Kontrol dua posisi atau on-offrelatif lebih sederhana dan murah, olehkarenanya banyak digunakan dalam sistemkontrol di industri maupun di rumah-rumah.
Misalnya sinyal keluaran kontroleradalah m(t) dan sinyal kesalahan penggerakadalah e(t). Pada kontrol dua posisi , sinyal m(t)akan tetap pada harga maksimum atauminimumnya, bergantung pada tanda sinyalkesalahan penggerak, positif dan negatifsedemikian rupa sehingga
m(t) = Mj (max) untuk e(t) > 0= M2 (min) untuk e(t) < 0
dengan Mj dan M], adalah konstanta. Hargaminimum , M2, biasanya nol atau -Mj•Kontroler dua posisi biasanya berupa perangkatlistrik.
Gambar2. BlokDiagramkontroler"on-off'
Celah i!ifferensial
m
Gambar3 DiagramKontrolerKontroler"On-Off'denganCelahDiferensial
Gambar 2. dan 3 menunjukkan diagramkontrol dua posisi "on" dan "ojj" disebut celahdiferensial (differential gap). Suatu celahdiferensial ditunjukkan pada Gambar (2.3) .Celah diferensial ini menyebabkan keluarankontroler m(t) tetap pada harga sekarang sampaisinyal kesalahan penggerak bergeser sedikitdari harga nol (Teknik Kontrol Automatik,1985)
Sensor Thermocouple
Sensor thermocouple adalah merupakankomponen yang paling penting dalam penelitianini, karena ketepatan pengendalian suhu sangatbergantung oleh kineIja alat tersebut. Sensorthermocouple yang digunakan dalam penelitianini adalah thermocouple tipe K yangmempunyai kemampuan mengukur suhu - 270°C sampai dengan 1370 °C (Omega TheTemperature Handbook vol 28).
Analog To Digital Converter (ADC)
Pada pembuatan ini digunakan ADC0804. Input ADC berasal dari sensorthermocouple yang berupa tegangan analog.Keluaran digital dari ADC bias berderet (bitdemi bit) atau sejajar dengan semua bit yangdisandikan ditampilkan secara serentak.Rangkaian ADC tersebut seperti pada Gambar4. Tegangan referensi ini diset pada ordemilivolt dengan variabel resistor PI. selama
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN 78 Nugroho Tri Sanyoto dkk.
SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGY AKARTA, 21-22 DESEMBER 2006
proses konversi dilaksanakan di dalam ADC0804. masukan dengan batas tegangan antara 0sampai 72,4 milivolt diberikan di kaki nomer 6.RI dan C2 adalah komponen luar osilator yangdipakai oleh IC, kaki CS dan Rd dihubungkan
ke ground. ADC dioperasikan dalam mode freerunning dengan menghubungkan kaki WR dankaki INTR
'~(.)~
bWOO
DB!Vi>( +)
uDID~ DIDDR!A·GIID
DRS
DEli9
! \lnm.I:i$WID
IN11.19
ICl.y.,RC>RI)C!.[.!N
woa
Gambar 4. Rangkaian dasar ADC 0804
Besamya jangkauan tegangan dan jumlahbit yang digunakan (resolusi 8 bit) menentukanseberapa kecil perubahan tegangan yangmampu dideteksi. Perubahan tegangan inidinyatakan I LSB (Least Significan Bit) padanilai digital, sering disebut dengan tingkatketelitian ADC. Tingkat ketelitian ini dapatditunjukkan jika diketahui jangkauan tegangan72,4 milivolt dan resolusi 8 bit 2 8= 256) maka
T· ka k r· 72,4mV 028 Vmg tete lhan = ---- = , m256
Mikrokontroler A T89C52
Mikrokontroler jika diartikan secaraharfiah, berarti pengendali berukuran mikro.Sekilas mikrokontroler hampir sarna denganmikroprosesor. Namun mikrokontroler memiliki banyak komponen terintegrasi didalamnya, misal timer/counter. Pada mikroprosessor komponen tersebut tidak terintegrasi.Mikroprosesor umumnya dijumpai padakomputer yang bertugas memproses datamasukan maupun keluaran dari berbagai
Nugroho Tri Sanyoto dkk. 79
sumber. Mikrokontroler lebih sesuai untuktugas-tugas yang lebih spesifik rnisalnya untukControl, Timer dan Counter.
Pada prinsipnya terdapat dua tipemikrokontroler, yaitu tipe elSC (ComplexInstruction Set Computing) dan RISC (ReducedInstruction Set Computing). Di dalam penelitianini digunakan mikrokontroler tipe elSC darikeluarga MCS51 dengan seri AT89C52 buatanAtmel. Gambar secara lengkap dapat dilihatpada Gambar 5.
Relay
Relay daya yang dipergunakan pada alatpengendali suhu adalah magnetic kontaktor,relay magnetic kontaktor untuk menghubungkan dan memutuskan sumber daya darisumber listrik utama PLN 220 volt ke beban.Magnet kontaktor terdiri dari tiga bagian yaitukumparan (coil), kontak utama dan kontakbantu.
Kumparan (Coil)
Kumparan berfungsi untuk mengendalikan bekerjanya magnet kontaktor. Apabila
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN
kumparan tersebut dialiri arus listrik, makaakan menimbulkan magnet pada inti besi yangdililitnya dan akan menarik kontak-kontak yangada pada kontaktor sehingga kontak-kontakakan bekerja. Apabila aliran arus kumparan
SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006ISSN 1978-0176
terputus, kontak akan kembali seperti semulakarena gaya pegas yang dilakukan oleh pegasatau per. Simbol dari ujung-ujung kumparanadalah titik a dan b terlihat pada Gambar 6.
I11
~t.T
L0;.
ID
1:'5;....lI)
AD
D.£F10;.
.•••A
PI [IL IPID .•..-D
LL~II'>!
PI IIT 1PIII/'>ITA
PI JIt. 1Pll PD10;.
.•.•...P 1110\- -P 11 PDlL
...... -PI-..- 0\-PI- PDIT
J'.Q./
PI:11 t.PIO\- PDlt."'nf"-
PI'orTPIt. PD10\-
J'.Q./
PI'II LPIT PD1- Tr:nPD'
11
0;.AS;T PD11
ID
P1D IIJ'.PAC[11 IQ./r:
hi 0:::: )~)
IIP1 IIAJ.D) 1.....11 P1 JlT J.D) .oJ...II PRC[
1D1..-c11P11 ---=-AS;
I
1:'1 • ..-I:'[,-
Pl- ps;g;10;. 0\-A' .•••It.
1
.•.. ' [iN[10\-
PlO\- t.III~
11:'1- T I [],J" It.P1t. Pl1L
DDl- ITPH PlIT L- 1:'1' A 111--11 TDI
~1:'1- A I ClI" Pl:16
Dl11 IL:i.:\-II,
t..•..- T I I~II
J.TJ'.UPl Dl
T
T1 r:LJTnl~ 10;.J.TJ'.LI Pl1- IID-ID Pl:
11 11L
AliI'>!A1CLJ"0;.DO\-
li) [iND Pl11 11Dt.Pli
11 I-DTI~ ..-Dr:It. Q./r:-
Gambar 5. Rangkaian Secara Lengkap
Gambar 6 Skema Magnet Kontaktor
Kontak Utama
Kontak utama berfungsi sebagai kontakpenghubung tenaga atau sebagai saklar utamayang menghubungkan jala-jala listrik denganbeban. Kontak utama biasanya terdiri dari tigakontak utama NO (Normal Open). Kontak NOadalah kontak yang terbuka pada saat kontaktortidak bekerja.
KUIlI.paran
;K(.~t~k·t.fhlma
't'Kantak.Banhl
Kontak Bantu
Kontak bantu terdiri dari dua buahkontak yaitu kontak NO (Normal Open) dankontak NC (Normal Close). Kontak bantu NOcara kerjanya sarna dengan kontak utama,seangkan kontak bantu NC adalah kontak yangtertutup saat kontaktor tidak bekerja danmembuka pada saat kontaktor bekerja. Kontakbantu tersebut biasa digunakan sebagai kontakpengunci maupun pemutus.
TATA KERJA
Desain rangkaian sistem pengukur suhuadalah meliputi desain tataletak komponen,Pengadaan komponen, Pengujian komponen,Pemasangan komponen, serta pembuatanperangkat lunak dengan cara menanamkanprogram ke dalam IC AT 89C52 memakaiDownloader PEB52/52.
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN 80 Nugroho Tri Sanyoto dkk.
SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGY AKARTA, 21-22 DESEMBER 2006ISSN 1978-0176
Uji statis dilakukan dengan memberimasukan tegangan simulasi kemudian diukurperubahan suhunya dengan me1ihat hasilcacahan pada LCD sebagai tampilan keluaran.Uji dinamis dilakukan pengukuran suhu padaalat furnace, serta membandingkan dengan alatlain untuk mencari tingkat akurasinya denganme1ihat hasil pengukuran pada LCD.
Alat dan Bahan Penelitian
Untuk membuat alat ini diperlukan bahanatau komponen elektronik aktif maupun pasif,serta memerlukan alat sebagai penunjang pada
pengujian meliputi : Pulse Generator Model
GL-3 sebagai masukan, frequensi counterTektronik tipe DC 503 untuk menghitungfrequensi, serta multimeter analog Sanwa tipeYX 360 TR sebagai pengukur tegangan,Osciloscope Tektronik 40 mHz, dan kabelpenghubung, tool set, solder dan desolderin
Diagram Alir Perangkat Lunak
Secara garis besar diagram alir perangkatlunak seperti pada Gambar 7.
lmilriali_iTimer, gteln.., gtop
Set suiut = C
cclcius
T
Gambar 7. Diagram Alir Kontrol Suhu
Nugroho Tri Sanyoto dkk. 81 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN
SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006ISSN 1978-0176
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 8. Respon Kontrol Suhu Terhadap Waktu
Pengujian Respon Sistem Kontrol Dua Posisi"On - Off'
Pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahuikarakteristik respon dari sistem kontrol duaposisi "on-off'. Pengujian ini dilakukan padasaat suhu furnace diset pada suhu 800°Cselama 2 jam (7200 detik) dan didapatkan hasilseperti pada Gambar 8.
000
000
_ 700~ 000
~ soov; 400§ 300\II 200
100
o
o
Terlihat bahwa sinyal keluaran darisensor bembah-ubah dari posisi tetap satukeposisi tetap lainnya. Sinyal keluaranmaksimal didapatkan 809,412 °C dan sinyalkeluaran minimal sebesar 791°C. Osilasi
keluaran dapat diperkecil dengan memperkecilcelah diferensial. Akan tetapi hal ini akanmenyebabkan kenaikan angka "switching" "onoff' per menit sehingga akan memperpendekumur ketahanan komponen. Besar celahdiferensial ini hams ditentukan berdasarkan
beberapa pertimbangan seperti ketelitian yangdiperlukan dan umur komponen.
Pengujian Sensor Thermocouple Tipe K
Hasil pengujian sensor didapatkandengan cara mengukur tegangan keluaran darisensor thermocouple yang dibandingkandengan data yang tertampil pada alat ukur lainyang dianggap sebagai standar (ShimadenSR72). Hasil pengujian digambarkan sepertipada Tabel 1.
milivolt
32
32,633
33,533,934,735,737,237,538
38,639,540,743,644
45,145,948,749,262,363,764,867
68,269,370,772,1
TeganganNo Suhu(Celcius)
Celcius
28. 48529. 49530. 50031. 51032. 51533. 53034. 55035. 57536. 58037. 59038. 60039. 61540. 64041. 69042. 70043. 71544. 73045. 78046. 79047. 102548. 105049. 107050. 110051. 113052. 115053. 117554. 1200
Tegangan
(milivolt)milivolt
7
7,9
9,110
10,712
13,515,216,21719
20
21
22,323,224,124,625,526
26,327
27,428,729,730,231
31,3
Gambar 9 Linieritas Sensor Thermocouple Tipe K
Tabel 1. Hasil Pengujian sensor Thermocoupledalam volt, sebanding dengan penunjukan alat ukur
standar ( ShimadenSR 72) dalam Celcius
No Suhu(Celcius)
Celcius
1. 352. 503. 704. 905. 1006. 1257. 1508. 1809. 20010. 21511. 25012. 27513. 30014. 31015. 32516. 34017. 35018. 36519. 37520. 38021. 39022. 40023. 42524. 44025. 45026. 46527. 470
Dari Tabel 1 dan Gambar 9 terlihat
bahwa kenaikan suhu tiap 1 °C sebandingdengan kenaikan tegangan keluaran sensorthermocouple sebesar ± 0,056 milivolt danmempunyai nilai linieritas sebesar y = 0,0056x+ 4,9808
80002000 4000 6000
Waldu (t)
~//I/I//
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN 82 Nugroho Tri Sanyoto dkk.
SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006ISSN 1978-0176
Pengukuran Suhu dengan Alat Pembanding &J
70
Pengukuran ini dilakukan dengan tujuanmengetahui hasil pengukuran dengan alat initelah sesuai dengan suhu sebenamya yangdiukur dengan alat ukur. Setelah penguirurankenaikan suhu pada sensor dengan alat pembanding Merk Shimaden type SR72, hasil yangdiperoleh dimasukkan dalam Tabel 2. Dicantumkan pula selisih pengukuran antara suhu alatdan suhu pembanding ..
200 400 Em IIOJ 1(0) 1200
Suhu (Celclu"l
Tabel2. Pengujian Suhu dengan Alat Pembanding
Suhu Ala!
(Celcius)
37.647
56.470
75.294
70.588
103.529
127.059
150.588
183.529
207.059
221.765
254.118
282.353
305.882
320.000
338.824
348.235
357.647
371.765
390.588
409.412
432.941
461.177
475.294
512.941
541.177
569.412
583.529
602.353
616.471
654.118
705.882
720.000
724.706
771.765
785.882
847.059
Suhu Pembanding
(Celcius)35
50
70
90
100
125
150
180
200
215
250
275
300
310
325
340
350
365
380
400
425
450
470
500
530550
575
590
600
640
690
700
730
780
800
850
!::.Suhu
(Celcius)2.647
6.47
5.294
19.412
3.529
2.059
0.588
3.529
7.059
6.765
4.118
7.353
5.882
10.000
13.824
8.235
7.647
6.765
10.588
9.412
7.941
11.177
5.294
12.941
11.177
19.412
8.529
12.353
16.47114.118
15.882
20.0
5.294
8.235
14.118
2.941
Gambar 10. Pengujian Suhu dengan AlatPembanding
Dari Tabe12 dapat digambar grafik seperti padaGambar 10. Didapatkan persamaan linieritas y= 0,9953x - 43867 dengan perbedaan suhudengan alat pembanding (ll suhu) sebesar9,085. Hal ini disebabkan karena sensorpembanding dengan sensor alat yang digunakanmemiliki karakteristik yang berbeda
KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukandiperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut.
Telah berhasil dibuat sistem kontrol suhudigital berbasis mikrokontroler AT89C52dengan waktu operasi yang dapat ditentukanoleh pengguna (user).
Batas ukur yang dapat dicapai alatpengukur suhu dari 0 sampai 1200 °C , ADCyang digunakan sebagai pengubah tegangananalog menjadi digital menggunakan ADC0804, 8 bit dengan tegangan referensi yangdapat diatur sesuai kebutuhan.
Uji komparasi dengan alat Shimadentype SR72 diperoleh perbedaan (ll) suhu rata9.085 hal ini disebabkan karena sensorpembanding dengan sensor alat yang digunakanberbeda dan memiliki karakteristik yangberbeda.
UCAPAN TERIMA KASIH
Diucapkan terima kasih kepada saudaraAlfian mahasiswa STTN yang telah banyakmembantu melaksanakan penelitian ini, KepalaBEM - PTAPB, Staf BEM beserta rekan-rekanyang tidak dapat kami sebutkan satu per satu,sehingga kegiatan ini dapat berjalan denganbaik.
Nugroho Tri Sanyoto dkk. 83 Sekolah Tinggi Teknologi Nuk/ir- BATAN
DAFT AR PUST AKA
1. PARIMUN, 1998/1999 "Kontrol Suhu padaFurnace Reduksi dengan Relay", Tugas Ahir,PPNY - BATAN Yogyakarta
TANYAJAWAB
Pertanyaan
1. Kemudahan apa yang diperoleh user darihasil penelitian Anda, terutama penambahan tampilan analog ke digital?
2. Mengapa Anda memilih tipe ADC 8 bit dantemyata menghasilkan kesalahan 9,8 °Cpada tampilannya?
3. Adakah prospek finansial pengembanganalat yang Anda buat? (Subari)
4. Apa yang dimonitor pada rancang banguntersebut? (Teguh S )
5. Berapa sampling time yang digunakan?6. Pada kesimpulan, ada perbedaan hasil
sebesar 9,085. Mengapa dapat terjadi danseharusnya dapat dieliminir atau diperkecil?
7. Pada gambar skema rangkaian tidak tampakkeypad, padahal Anda sebutkan bahwasuhunya dapat di-entry dari keypad?(Sukarman)
Jawaban
1. Dengan tampilan digital pengamatan dapatlebih cermat.
2. Pada penelitian ini kami coba dengan ADC0804. Menurut spesifikasi, mampu dipakaipada alat tersebut.
3. Ada.
4. Untuk memonitor suhu furnace yangterprogram.
5. Belum saya amati6. Karena ada perbedaan detektor yang
dipakai.7. Maaf gambar tidak komplit
SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER2006
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN 84 Nugroho Tri Sanyoto dkk.